V tomto krátkém příspěvku na blogu se dozvíte více o jednom z pilířů vědy.
Jaký byl příběh Stephena Hawkinga?
Stephen Hawking je světoznámý britský teoretický fyzik, známý svým přínosem v oblasti kosmologie, obecné relativity a kvantové gravitace, zejména v souvislosti s černými dírami. V 60. a 70. letech 20. století pracoval na převratných teoriích o singularitách v obecné teorii relativity a vyslovil teoretickou předpověď, že černé díry by měly vyzařovat záření (dnes známé jako Hawkingovo záření). Vydal také několik populárně-vědeckých knih, v nichž se zabývá svými teoriemi a kosmologií obecně, včetně bestselleru „Stručná historie času“, a je považován za jednu z největších fyzikálních myslí od dob Alberta Einsteina. Podle jeho vlastních slov: „Můj cíl je jednoduchý. Je jím úplné pochopení vesmíru, proč je takový, jaký je, a proč vůbec existuje.“
Stephen William Hawking se narodil 8. ledna 1942 v anglickém Oxfordu uprostřed druhé světové války. Po jeho narození v relativním bezpečí Oxfordu se rodina vrátila do Londýna, kde jeho otec vedl parazitologické oddělení Národního ústavu lékařského výzkumu, a to navzdory neustálému riziku bombardování německým letectvem. V roce 1950 se Hawking s rodinou přestěhoval do St. Albans, kde v letech 1950-1953 navštěvoval dívčí střední školu St. Albans High School (chlapci ji mohli navštěvovat do 10 let) a od 11 let navštěvoval St. Albans School, kde byl dobrým, i když ne vynikajícím žákem.
V roce 1959 získal stipendium na University College v Oxfordu, otcově staré škole, kde studoval fyziku pod vedením Roberta Bermana (hlavně proto, že tam nebyla nabízena jeho oblíbená matematika) a kde se zajímal zejména o termodynamiku, relativitu a kvantovou mechaniku. Navzdory svým někdy laxním studijním návykům a znuděnosti univerzitním životem promoval v roce 1962 s diplomem první třídy.
Po ukončení studia se krátce věnoval studiu slunečních skvrn na Oxfordské univerzitní observatoři. Brzy si však uvědomil, že ho více zajímá teorie než pozorování, a odešel z Oxfordu do Trinity Hall v Cambridgi, kde nějaký čas studoval u Freda Hoylea, nejvýznamnějšího anglického astronoma té doby.
Brzy po příchodu do Cambridge, ve věku 21 let, se u Hawkinga začaly projevovat první příznaky amyotrofické laterální sklerózy (ALS neboli „Lou Gehrigova choroba“), což je typ onemocnění motorických neuronů, kvůli kterému nakonec ztratil téměř veškerou nervosvalovou kontrolu. Přestože lékaři (mylně) předpovídali, že Hawking nepřežije déle než dva nebo tři roky, postupně ztrácel schopnost používat ruce, nohy a hlas, až se stal téměř zcela ochrnutým a kvadruplegickým.
V roce 1965 se zúčastnil přednášky anglického matematika Rogera Penrose, který právě publikoval převratný článek o časoprostorových singularitách (událostech, při nichž se zdá, že se fyzikální zákony porušují). Hawking znovu načerpal energii a s novým elánem se věnoval studiu teoretické astronomie a kosmologie, zejména v oblasti černých děr a singularit. Později spolupracoval s Penrosem na několika důležitých pracích týkajících se těchto témat.
Další zlom v jeho životě nastal také v roce 1965, kdy se oženil se studentkou jazyků Jane Wildeovou. S její pomocí a s pomocí svého školitele Dennise Sciamy Hawking dokončil doktorát a stal se vědeckým pracovníkem a poté profesorem na Gonville and Caius College v Cambridgi.
V roce 1968 nastoupil jako zaměstnanec Cambridgeského astronomického ústavu, kde zůstal až do roku 1973, a začal aplikovat zákony termodynamiky na černé díry pomocí velmi složité matematiky. Koncem 60. let použil spolu se svým přítelem a cambridgeským kolegou Rogerem Penrosem nový složitý matematický model, který vytvořili na základě obecné teorie relativity Alberta Einsteina, což vedlo Hawkinga k tomu, že v roce 1970 dokázal první z mnoha tvrzení o singularitě. Tato věta poskytla soubor postačujících podmínek pro existenci singularity v časoprostoru a také naznačila, že prostor a čas by skutečně měly počátek v události typu Velkého třesku a konec v černých dírách. Ve skutečnosti obrátil Penroseovu myšlenku, že vznik černé díry by nutně vedl ke vzniku singularity, tím, že dokázal, že právě singularita vedla ke vzniku samotného vesmíru.
Ve spolupráci s Brandonem Carterem, Wernerem Israelem a Davidem Robinsonem podal matematický důkaz „bezvlasé věty“ Johna Wheelera, podle níž je každá černá díra zcela popsána třemi vlastnostmi: hmotností, úhlovým momentem hybnosti a elektrickým nábojem, a navrhl čtyři zákony mechaniky černých děr, podobné čtyřem klasickým zákonům termodynamiky. Na základě analýzy emisí gama záření také navrhl, že primordiální černé díry nebo „mini černé díry“ by mohly vzniknout po velkém třesku.
V roce 1974 Hawking a Jacob Bekenstein prokázali, že černé díry ve skutečnosti nejsou zcela černé, ale že musí tepelně vytvářet a vyzařovat subatomární částice, dnes známé jako Hawkingovo záření, dokud nakonec nevyčerpají svou energii a nevypaří se. To také vedlo ke vzniku takzvaného „informačního paradoxu“ nebo „Hawkingova paradoxu“, podle něhož se zdá, že fyzikální informace (což zhruba znamená identita a odlišné vlastnosti částic) se ve vesmíru zcela ztrácí, což je v rozporu s přijatými fyzikálními zákony. Hawking tento paradox hájil proti argumentům Leonarda Susskinda a dalších po třicet let, dokud ho v roce 2004 slavně neodvolal.
Těchto špičkových úspěchů bylo dosaženo navzdory rostoucímu ochrnutí způsobenému Hawkingovou ALS. V roce 1974 už nebyl schopen se sám nakrmit ani vstát z postele a jeho řeč byla tak slabá, že mu rozuměli jen lidé, kteří ho dobře znali. V roce 1985 dostal zápal plic a musel se podrobit tracheotomii, po níž byl zcela neschopen mluvit, ačkoli různí přátelé a dobrodinci spolupracovali na výrobě zařízení, které mu umožňovalo psát na počítači pomocí drobných pohybů těla a poté vyslovovat napsané pomocí hlasového syntetizéru.
V roce 1973 odešel z Astronomického ústavu na katedru aplikované matematiky a teoretické fyziky a v roce 1979 byl jmenován Lucasovým profesorem matematiky na univerzitě v Cambridge, kde působil 30 let až do svého odchodu do důchodu v roce 2009. S Jane Wildeovou měl tři děti: Roberta (1967), Lucy (1969) a Timothyho (1979), ale manželé se nakonec v roce 1991 rozešli, zřejmě kvůli tlaku Hawkingovy slávy a jeho rostoucímu zdravotnímu postižení.
Hawkingův průkopnický výzkum mu přinesl značnou slávu a věhlas. V roce 1974 byl ve svých 32 letech zvolen jedním z nejmladších členů Královské společnosti. V roce 1982 mu byl udělen Řád britského impéria (Commander of the Order of the British Empire, CBE) a v roce 1989 byl jmenován Companion of Honour. Nasbíral dvanáct čestných titulů a řadu dalších ocenění, medailí a cen, včetně Ceny Alberta Einsteina, nejprestižnější ceny v oblasti teoretické fyziky. Do povědomí širší veřejnosti se dostal zejména po vydání mezinárodního bestselleru „Stručná historie času“ (A Brief History of Time, 1988) a jeho pokračování „Vesmír ve zkratce“ (The Universe in Brief, 2001) a „Stručnější historie času“ (A Briefer History of Time, 2005).
Pokračuje ve výzkumu exploze černých děr, teorie strun a zrodu černých děr v naší galaxii. Jeho práce také poukázaly na potřebu sjednotit obecnou teorii relativity a kvantovou teorii v komplexní teorii kvantové gravitace, známé jako „teorie všeho“, zejména pokud chceme vysvětlit, co se skutečně stalo v době velkého třesku. Již v roce 1974 byla jeho teorie emise Hawkingova záření černými dírami pravděpodobně jedním z prvních příkladů teorie, která alespoň do určité míry syntetizuje kvantovou mechaniku a obecnou relativitu.
Mezi nesčetné Hawkingovy další vědecké výzkumy v průběhu let patří studium kvantové kosmologie, kosmické inflace, produkce helia v anizotropních vesmírech velkého třesku, kosmologie „velkého N“, hustotní matice vesmíru, topologie a struktury vesmíru, dětských vesmírů, Yang-Millsových instantonů a S-matrice, anti-de Sitterův prostor, kvantové provázání a entropie, povaha prostoru a času a šipka času, časoprostorová pěna, teorie strun, supergravitace, euklidovská kvantová gravitace, gravitační hamiltonián, Brans-Dickeho a Hoyle-Narlikar teorie gravitace, gravitační záření, holografie, časová symetrie a červí díry.
Nikdy se nebál vyvolávat kontroverze, v 80. letech 20. století dokonce začal zpochybňovat samotnou teorii velkého třesku a navrhl, že možná nikdy nebyl počátek a že by neexistoval žádný konec, ale pouze změny, neustálý přechod z jednoho „vesmíru“ do druhého prostřednictvím zádrhelů v časoprostoru. Svůj „neohraničený návrh“ vypracoval ve spolupráci s americkým fyzikem Jimem Hartlem. V rámci klasické obecné relativity musí být vesmír buď nekonečně starý, nebo musel začít singularitou, ale Hawkingův a Hartleův návrh přináší třetí možnost: vesmír je konečný, ale neměl počáteční singularitu, která by vytvořila hranici. O příběhu tohoto neohraničeného vesmíru v „imaginárním čase“ lze snad nejlépe uvažovat pomocí analogie zemského povrchu, přičemž velký třesk odpovídá severnímu pólu Země a velikost vesmíru se zvětšuje s imaginárním časem, jak se pohybujeme na jih od rovníku.
V roce 1995 se Hawking oženil se svou zdravotní sestrou Elaine Masonovou, ačkoli se v roce 2006 rozvedli kvůli nepotvrzeným zvěstem o fyzickém týrání, a od té doby se usmířil se svou první ženou Jane. V roce 2003 Hawking nebezpečně onemocněl zápalem plic, než opět překvapil své lékaře tím, že se uzdravil a stále více se věnoval své práci.
V roce 2004 radikálně změnil jedno ze svých kontroverzních tvrzení o černých dírách (zničí vše, co do nich spadne, a z černé díry nelze získat žádnou informaci) a prohlásil, že nové objevy by mohly pomoci vyřešit „informační paradox černé díry“. V jeho nové definici černých děr není horizont událostí tak dobře ohraničen a nemusí zcela skrývat vše, co se v něm nachází, před vnějším světem, a přijal koncept multivesmíru, který má pomoci vysvětlit zachování informace v černých dírách.
Hawkingovy názory na existenci Boha jsou předmětem mnoha diskusí, zejména od vydání knihy Stručná historie času v roce 1988, v níž se domnívá, že objev globální teorie všeho by nám umožnil „poznat mysl Boha“, což někteří interpretují jako doslovné a jiní jako literární. Ve své knize The Grand Design z roku 2010 však jednoznačně tvrdí, že „spontánní stvoření je důvodem, proč existuje něco, a ne nic, proč existuje vesmír, proč existujeme my. Nemusíte vzývat Boha… abyste uvedli vesmír do pohybu.“
Hawking v roce 2009 opustil v souladu s univerzitní politikou odchodu do důchodu místo lucasianského profesora matematiky v Cambridgi a přijal významné vědecké místo na Perimeter Institute for Theoretical Physics v kanadském Waterloo. V témže roce mu byla udělena Prezidentská medaile svobody, nejvyšší civilní vyznamenání Spojených států.
Stephen Hawking zemřel 13. března 2018 ve věku 76 let.
V dalším článku se o něm dozvíte více: Kdo byl Edwin Hubble?“